CN105908034A - 一种铝合金圆棒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金圆棒，包括以下重量百分比的组分：Al、92.65～94.86%；Cu、1.9%～2.7%；Mg、1.3%～1.8%；Si、0.1%～0.25%；Fe、0.9%～1.3%；Ni、0.9%～1.2%；Ti、0.04%～0.1%；制备方法具体包括：熔炼铝合金溶液、浇铸成长料铝合金圆铸棒、均匀化退火、切割成短料铝合金圆铸棒、低温快速反向挤压得到铝合金挤压圆棒半成品、淬火热处理、拉拔冷变形、倍尺切割并切除头尾料、人工时效、得到铝合金圆棒。本发明制备的铝合金圆棒横截面与纵截面的晶粒组织都均匀细小，具有强度高、耐热性好的特点，能够满足后续加工及使用的要求，可广泛用作航天发动机及其它高温条件下工作的零部件。

Description

一种铝合金圆棒及其制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，特别是一种铝合金圆棒及其制造方法。
背景技术
随着国防及航空工业的快速发展，人们对耐热铝合金的性能提出了更高的要求，其中2618铝合金因其可锻性好，各向异性小而被广泛用于发动机活塞及航空领域。现有的2618-T6圆棒抗拉强度为400MPa、屈服强度为325MPa、延伸率为6％、硬度HB为120，力学性能较低。采用传统制备方法制备的2618铝合金棒材容易出现粗晶组织，其晶粒组织不均匀，与国外同类产品的力学性能及晶粒组织存在较大差距，限制了国内铝合金材料在汽车工业和航空工业上的广泛应用。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种铝合金圆棒及其制造方法，使得制备的铝合金圆棒强度高、晶粒组织均匀，能够满足后续加工及使用的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种铝合金圆棒，包括以下重量百分比的组分：
Al、92.65～94.86％；Cu、1.9％～2.7％；Mg、1.3％～1.8％；Si、0.1％～0.25％；Fe、0.9％～1.3％；Ni、0.9％～1.2％；Ti、0.04％～0.1％。
上述一种铝合金圆棒，包括以下重量百分比的组分：
Al、92.85～93.86％；Cu、2.2％～2.6％；Mg、1.5％～1.7％；Si、0.2％～0.25％；Fe、1.2％～1.3％；Ni、1.0％～1.2％；Ti、0.04％～0.1％。
一种铝合金圆棒的制造方法，具体包括以下步骤：
A.按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液；
B.将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；
C.长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火；
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品；
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤A的具体操作方法为：领料、加料装入熔炼炉、融化保温、添加打渣剂除渣、添加合金调整成分、搅拌、取样光谱分析化学成分、精炼除气除杂质、添加覆盖剂、保温静置得铝合金溶液。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤A中的搅拌时间为10min～15min，精炼时间为30min～35min，保温静置时间为30min～35min。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤B的具体操作方法为：铝合金溶液在温度为690℃～720℃、冷却水流量为180m3/h～210m3/h、铸造速度为88mm/min～98mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6000mm～6700mm的铝合金圆铸棒。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤D中铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒预热温度为290℃～310℃、模筒预热温度为320℃～360℃、模具预热温度为430℃～480℃；
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为8～18、挤压速度为6mm/s～8mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤E中淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为530℃～540℃，保温时间为90min～150min，淬火冷却水温度≤38℃，铝合金圆棒转移时间≤30s。
上述一种铝合金圆棒的制造方法，步骤G中时效温度为200℃～210℃、保温时间为8h～9h。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明通过严格控制铝合金中合金元素的含量比、挤压温度和挤压速度、淬火温度和时间、时效温度和时间而制备的铝合金圆棒，其抗拉强度达到430MPa～450MPa、屈服强度达到390MPa～420MPa、延伸率达到7.5％～10％、硬度HB达到135～145，且圆棒横截面与纵截面的晶粒组织都均匀细小，具有强度高、耐热性好的特点，能够满足后续加工及使用的要求，可广泛用作航天发动机及其它高温条件下工作的零部件。本发明制备的铝合金圆棒可与同类进口铝合金圆棒相媲美，实现了铝合金原材料的国产化，为我国大力发展航空事业奠定了坚实的基础。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铝合金圆棒的横截面低倍组织；
图2是本发明实施例1制备的铝合金圆棒的纵截面低倍组织；
图3是本发明实施例1制备的铝合金圆棒的横截面放大200倍的金相组织；
图4是本发明实施例1制备的铝合金圆棒的纵截面放大200倍的金相组织。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种铝合金圆棒，包括以下重量百分比的组分：Al、92.65～94.86％；Cu、1.9％～2.7％；Mg、1.3％～1.8％；Si、0.1％～0.25％；Fe、0.9％～1.3％；Ni、0.9％～1.2％；Ti、0.04％～0.1％。
一种铝合金圆棒的制造方法，具体包括以下步骤。
A.按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液。
本步骤的具体实施方法为：领料；加料装入熔炼炉；融化保温；添加打渣剂除渣；添加合金调整成分；搅拌，搅拌时间为10min～15min；取样光谱分析化学成分；精炼30min～35min后，除去溶液中的氢气和杂质；添加覆盖剂；保温静置30min～35min，得铝合金溶液。
B.将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；铝合金溶液在温度为690℃～720℃、冷却水流量为180m3/h～210m3/h、铸造速度为88mm/min～98mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6000mm～6700mm的铝合金圆铸棒。
C.长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火；以消除圆铸棒内的铸造应力和晶内偏析，使其晶粒组织均匀。均匀化退火温度为470℃～490℃，保温时间为3h～5h，然后自然冷却。
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒，短料铝合金圆铸棒的长度一般为500mm～1000mm；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品。
本步骤中，铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒预热温度为290℃～310℃、模筒预热温度为320℃～360℃、模具预热温度为430℃～480℃；
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为8～18、挤压速度为6mm/s～8mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
步骤D2中，短料铝合金圆铸棒采用梯度预热方式，即先进模筒端铸棒预热温度高，后进模筒端预热温度低，其梯度为1-5℃/100mm。
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为530℃～540℃，保温时间为90min～150min，淬火冷却水温度≤38℃，铝合金圆棒转移时间≤30s。
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；以消除圆棒在挤压及立式淬火过程中产生的内应力。拉拔冷变形的变形量为1％～3％。
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。
倍尺切割长度根据客户规定的交付长度确定，一般为2m～8m，头料、尾料切除长度一般为150mm～300mm。时效温度为200℃～210℃、保温时间为8h～9h。
实施例1
制备一种铝合金圆棒，包含以下重量百分比的组分：Al、93.4108％；Cu、2.45％；Mg、1.61％；Si、0.184％；Fe、1.23％；Ni、1.07％和Ti、0.0452％。具体制备方法如下。
A.按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液。
本步骤的具体实施方法为：领料；加料装入熔炼炉；融化保温；添加打渣剂除渣；添加合金调整成分；搅拌，搅拌时间为15min；取样光谱分析化学成分；精炼32min后，除去溶液中的氢气和杂质；添加覆盖剂；保温静置32min，得铝合金溶液。
B.将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；铝合金溶液在温度为700℃、冷却水流量为200m3/h、铸造速度为90mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6500mm的铝合金圆铸棒。
C.长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火；以消除圆铸棒内的铸造应力和晶内偏析，使其晶粒组织均匀。均匀化退火温度为480℃，保温时间为3h，然后自然冷却。
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒，短料铝合金圆铸棒的长度一般为500mm；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品。
本步骤中，铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒先进模筒端预热温度为305℃、后进模筒端预热温度为292℃、梯度为2.6℃/100mm，模筒预热温度为350℃、模具预热温度为475℃；
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为15.4、挤压速度为7mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为535℃，保温时间为120min，淬火冷却水温度≤38℃，铝合金圆棒转移时间≤30s。
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；以消除圆棒在挤压及立式淬火过程中产生的内应力。拉拔冷变形的变形量为2％。
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。倍尺切割长度根据客户规定的交付长度确定，一般为4m，头料、尾料切除长度一般为200mm。时效温度为205℃、保温时间为8.5h。
本实施例制造的铝合金圆棒的抗拉强度为442.16MPa、屈服强度为410.14MPa、延伸率为7.5％、硬度HB为140，圆棒横截面与纵截面的晶粒组织都均匀细小，如图1至图4所示，圆棒横截面的平均晶粒尺寸约为19.1μm，纵截面的均晶粒尺寸约为24.8μm。
实施例2
本实施例制备的铝合金圆棒，包含以下重量百分比的组分：Al、92.65％；Cu、1.9％；Mg、1.8％；Si、0.25％；Fe、0.9％；Ni、1.2％和Ti、0.04％。具体制备方法如下。
A.按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液。
本步骤的具体实施方法为：领料；加料装入熔炼炉；融化保温；添加打渣剂除渣；添加合金调整成分；搅拌，搅拌时间为10min；取样光谱分析化学成分；精炼35min后，除去溶液中的氢气和杂质；添加覆盖剂；保温静置30min，得铝合金溶液。
B.将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；铝合金溶液在温度为690℃、冷却水流量为180m3/h、铸造速度为88mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6000mm的铝合金圆铸棒。
C.长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火；以消除圆铸棒内的铸造应力和晶内偏析，使其晶粒组织均匀。均匀化退火温度为470℃，保温3h，然后自然冷却。
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒，短料铝合金圆铸棒的长度一般为800mm；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品。
本步骤中，铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒先进模筒端预热温度为310℃、后进模筒端预热温度为290℃、梯度为5℃/100mm，模筒预热温度为360℃、模具预热温度为480℃；
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为18、挤压速度为8mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为530℃，保温时间为90min，淬火冷却水温度≤38℃，铝合金圆棒转移时间≤30s。
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；以消除圆棒在挤压及立式淬火过程中产生的内应力。拉拔冷变形的变形量为1％。
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。倍尺切割长度根据客户规定的交付长度确定，一般为2m，头料、尾料切除长度一般为150mm。时效温度为200℃、保温时间为8h。
本实施例制造的铝合金圆棒的抗拉强度为438.46MPa、屈服强度为409.92MPa、延伸率为10％、硬度HB为138，圆棒横截面与纵截面的晶粒组织都均匀细小，圆棒横截面的平均晶粒尺寸约为20.3μm，纵截面的均晶粒尺寸约为27.1μm。
实施例3
本实施例制备的铝合金圆棒，包含以下重量百分比的组分：Al、94.86％；Cu、2.7％；Mg、1.3％；Si、0.1％；Fe、1.3％；Ni、0.9％和Ti、0.1％。具体制备方法如下。
A.按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液。
本步骤的具体实施方法为：领料；加料装入熔炼炉；融化保温；添加打渣剂除渣；添加合金调整成分；搅拌，搅拌时间为10min；取样光谱分析化学成分；精炼30min后，除去溶液中的氢气和杂质；添加覆盖剂；保温静置35min，得铝合金溶液。
B.将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；铝合金溶液在温度为720℃、冷却水流量为210m3/h、铸造速度为98mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6700mm的铝合金圆铸棒。
C.长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火；以消除圆铸棒内的铸造应力和晶内偏析，使其晶粒组织均匀。均匀化退火温度为490℃，保温5h，然后自然冷却。
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒，短料铝合金圆铸棒的长度一般为1000mm；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品。
本步骤中，铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒先进模筒端预热温度为300℃、后进模筒端预热温度为295℃、梯度为1℃/100mm，模筒预热温度为320℃、模具预热温度为430℃；
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为8、挤压速度为6mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为540℃，保温时间为150min，淬火冷却水温度≤38℃，铝合金圆棒转移时间≤30s。
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；以消除圆棒在挤压及立式淬火过程中产生的内应力。拉拔冷变形的变形量为3％。
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。倍尺切割长度根据客户规定的交付长度确定，一般为8m，头料、尾料切除长度一般为300mm。时效温度为210℃、保温时间为9h。
本实施例制造的铝合金圆棒的抗拉强度为436.79MPa、屈服强度为398.13MPa、延伸率为8.5％、硬度HB为142，圆棒横截面与纵截面的晶粒组织都均匀细小，圆棒横截面的平均晶粒尺寸约为21.4μm，纵截面的均晶粒尺寸约为25.5μm。
实施例4—实施例6
实施例4至实施例6中，制备铝合金圆棒的具体步骤与实施例1相同，区别仅在于，铝合金圆棒中各组分的质量百分比不同，具体如下表所示。

Claims (9)

1.一种铝合金圆棒，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
Al、92.65～94.86%；Cu、1.9%～2.7%；Mg、1.3%～1.8%；Si、0.1%～0.25%；Fe、0.9%～1.3%；Ni、0.9%～1.2%；Ti、0.04%～0.1%。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金圆棒，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
Al、92.85～93.86%；Cu、2.2%～2.6%；Mg、1.5%～1.7%；Si、0.2%～0.25%；Fe、1.2%～1.3%；Ni、1.0%～1.2%；Ti、0.04%～0.1%。
3.如权利要求1或2所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A. 按质量百分比分别称取熔炼用纯铝锭、铝铜中间合金、纯镁锭、铝硅中间合金、有色铁添加剂、铝镍中间合金和铝钛硼晶粒细化剂，然后将其依次装入干燥的熔炼炉内，加热熔化成铝合金溶液；
B. 将铝合金溶液浇铸成长料铝合金圆铸棒；
C. 长料铝合金圆铸棒进行均匀化退火;
D.将均匀化后的长料铝合金圆铸棒进行倍尺切割，得到适用于挤压的等长短料铝合金圆铸棒；将短料铝合金圆铸棒加热后进行低温快速反向挤压，得到铝合金挤压圆棒半成品；
E.铝合金挤压圆棒半成品进行淬火热处理；
F.将淬火热处理后的铝合金圆棒进行拉拔冷变形；
G.将拉拔冷变形后铝合金圆棒进行倍尺切割并切除头料、尾料，并进行人工时效，得到铝合金圆棒。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤A的具体操作方法为：领料、加料装入熔炼炉、融化保温、添加打渣剂除渣、添加合金调整成分、搅拌、取样光谱分析化学成分、精炼除气除杂质、添加覆盖剂、保温静置得铝合金溶液。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤A中的搅拌时间为10 min～15min，精炼时间为30 min～35 min，保温静置时间为30 min～35 min。
6.根据权利要求3所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤B的具体操作方法为：铝合金溶液在温度为690℃～720 ℃、冷却水流量为180 m3/h～210 m3/h、铸造速度为88mm/min～98 mm/min的条件下浇铸成直径φ203mm、长度为6000 mm～6700 mm的铝合金圆铸棒。
7.根据权利要求3所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤D中铝合金挤压圆棒半成品的具体制备方法为：
D1.领用短料铝合金圆铸棒及模具；
D2.预热短料铝合金圆铸棒、模筒及模具；短料铝合金圆铸棒预热温度为290℃～310℃、模筒预热温度为320℃～360℃、模具预热温度为430℃～480℃;
D3.装填短料铝合金圆铸棒并安装挤压模具；
D4.低温快速反向挤压成型，反向挤压条件：挤压比为8～18、挤压速度为6 mm/s～8mm/s；
D5.获得铝合金挤压圆棒半成品。
8.根据权利要求3所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤E中淬火热处理方式为立式淬火，淬火温度为530 ℃～540 ℃，保温时间为90 min～150 min，淬火冷却水温度≤38 ℃，铝合金圆棒转移时间≤30 s。
9.根据权利要求3所述的一种铝合金圆棒的制造方法，其特征在于，步骤G中时效温度为200 ℃～210 ℃、保温时间为8 h～9 h。
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